無線通信裝備模塊化設計研究

2019-11-03 09:15:34

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供稿：網友

邱永紅，朱勤　總參第63研究所

　　摘要：對無線通信裝備工廠級、設備級、系統級模塊化設計進行了分析，根據軟件通信體系結構，提出了模塊化通信裝備的設計思想，對其相應的標準體系和驗證模型進行了重點研究。

　　關鍵詞：無線通信裝備；模塊化設計；軟件通信體系結構 

一、引言

　　由于現代通信、數字信號處理、計算機和微電子等各種高新技術的迅猛發展，無線通信裝備的技術越來越先進，也越來越復雜。采用通用模塊的設計方法，可以最大限度地繼承與利用已有的硬件和軟件研究成果，從而降低研制風險，避免同一水平上的重復研制，縮短研制周期，節省研制費用，并且，采用開放性的模塊結構，便于實現網絡互連、信息互通和功能互操作。無線通信裝備模塊化設計的初衷是為了滿足人們追求多品種小批量要求下實現最佳效益和質量的要求,它的第一受益方是研制廠商，第二受益方是軍隊。無線通信裝備模塊化設計最終將有利于博采各家所長，推進無線通信裝備模塊化設計研制，是無線通信發展的催化劑。

二、模塊化設計分析

1工廠級模塊化設計

　　工廠級的無線通信裝備模塊化設計指的是各無線通信裝備廠擁有自己的模塊化結構設計、模塊劃分原則和總線母板等。隨著技術進步和為了便于組織生產，國內各無線通信裝備廠已逐步將電路板的“大板”結構改成按功能劃分的“小板”結構，并設計了本廠專有的“母板”。對于目前已有的通信裝備而言，這些措施在一定程度上體現了模塊化設計思想，并且是切實可行的。

　　通信裝備模塊的劃分是工廠級模塊化設計的關鍵。為使劃分的模塊合理，首先應對該類裝備有充分了解，然后采取系統工程和功能分解的方法，對裝備組成進行分析和功能分解，最后劃分出各級模塊。工廠級模塊化設計是以現有技術體制和技術形式，在對一定范圍內的采用傳統方式生產的不同型號裝備進行功能分析和分解的基礎上,劃分并設計、生產出一系列通用模塊或標準模塊，然后,從這些模塊中選取相應的模塊，并補充新設計的專用模塊或零部件一起進行相應組合，以構成滿足各種不同需要的裝備。

　　工廠級模塊化設計包括建立模塊體系和組合形成新裝備這兩個基本步驟。(1)建立模塊體系正確合理地劃分特定功能和接口的模塊，既是建立通信裝備模塊體系和組合形成新裝備的關鍵，也是今后擬制模塊總體規劃進行有效開發和應用的關鍵。因此，模塊的劃分、設計、研制、生產以及模塊體系的建立，應是建立在對所有同類裝備及組成部分充分了解的基礎上，并對現役裝備的改造和新裝備的開發等進行綜合分析和組合的基礎上，采用系統工程和標準化的原理及方法去處理。根據使用需求，從頂層向下按功能分解的方法，將裝備分解成不同等級的單元，同時從底層單元向上進行模塊需求分析，按標準化原理對同類和相似裝備進行對比、歸類、簡化、統一，合理劃分模塊，確定技術指標和質量要求,然后進行設計、研制和生產，從而建立起模塊體系。

　　(2)組合形成新裝備

　　工廠級模塊化設計應采用組合化設計方法，充分利用各種通用模塊、專用模塊和零件進行組合或派生各種不同要求和用途的新裝備。組合設計的關鍵在于總體方案設計，這是一個多因素綜合權衡的過程。

2設備級模塊化設計

　　設備級的無線通信裝備模塊化設計指的是，為了實現互通，將一些功能模塊設計成為各個無線通信裝備廠都能接受和采用的通用模塊，同時對一些影響互通的部件模塊強制實現體制和功能上統一的設計。設備級的無線通信裝備模塊化設計必須首先抓好頂層設計，在頂層設計的基礎上，制定設備級的無線通信裝備模塊化設計的模塊化標準，再以標準為指南，才有可能實現無線通信裝備的互連互通和模塊化。

　　設備級模塊化設計包括硬件模塊設計和軟件模塊設計這兩方面基本內容。

　　(1)硬件模塊設計

　　硬件模塊設計有2種可能：一種是屬于設備級模塊化設計初級階段的情況，即采用多板分散處理，各種數字處理硬件模塊均有自已的數字信號處理器和可編程數字邏輯電路。這種技術設計要求相對較低，能故障檢測到板，但接口較多，芯片規模小、品種多；另一種是屬于預計將來可實現的情況，即使用高速處理器、超大規模可編程器件，數字處理部分由一塊單板完成。這種方式硬件接口簡單，一旦發生故障，更換單板即可。它類似于目前的微機，基本功能都在一塊主板上。

　　硬件模塊實現的關鍵是規劃硬件模塊的接口定義、信號流程的功能及技術指標或標準，并公開這些要求，以使不同的開發、生產單位均能提供該硬件模塊，且能用不同單位提供的模塊組裝成整機。對于具體模塊的電路實現，可采用信號處理器的類型和電路實現的方式。對于生產和維護方來講，最好是采用廣泛使用的器件，以利于降低開發、生產、維護的成本。

　　(2)軟件模塊設計

　　軟件模塊是在硬件模塊支持下實現功能模塊規定任務中至關重要的部分。它利用總線和操作系統，實施對資源的管理和調用，并使用各種配套的應用軟件完成對信息和控制數據的處理、檢測和傳送。不同的應用軟件完成不同的功能，例如數字調制解調的信號處理、密鑰管理協議等，具體設計時還要考慮到實時處理和非實時處理的數據之間的關系等。

　　在設備級模塊化設計中，軟件模塊化設計是較為關鍵和復雜的問題。對于不同的硬件模塊化規程，將會產生不同的軟件模塊化規程。隨著軟件無線電技術研究的深入，軟件模塊化設計必將走向成熟和完善。

3系統級模塊化設計

　　系統級的無線通信裝備模塊化設計指的是從系統和頂層的角度來研究無線通信裝備模塊化設計。系統級的無線通信裝備模塊化設計具有統一標準的模塊化功能體系、結構體系和接口標準，具有統一的硬件平臺和軟件平臺。通過采用系統級的無線通信裝備模塊化設計理念，來構造模塊化通信裝備。

　　模塊化通信裝備是指從通信裝備的頂層設計出發來解決通信裝備的模塊化問題，強調采用軟件通信體系結構的概念來實現通信裝備的模塊化體系結構，使系統的體系結構具有了開放性、軟件可編程性、軟、硬件高度模塊化等優點。模塊的劃分和接口設計將在這種體系框架的基礎上進行。這里的模塊體系除了指各種軟件模塊和硬件模塊外，更重要的是指具有模塊化的基本體系結構。隨著技術的發展，軟件模塊將在數量上和地位上超過硬件模塊，成為無線通信裝備模塊的主要組成部分。

三、軟件通信體系結構的研究

1軟件無線電的思想

　　軟件無線電思想是20世紀90年代以后逐漸興起的一種全新的設計思想，其完整的概念和結構體系是由美國科學家Mitola于1992年5月明確提出的，其核心思想是在通用的硬件平臺上，加載不同的通信軟件以實現不同的通信模式和功能。這種全新的設計思想使無線電臺可以適應各種不同的應用場合，而通信系統的設計與開發主要成為軟件的研究和開發，這將極大縮短通信系統的研發周期和成本。標準的軟件無線電應采用基于標準虛擬機環境的硬件結構，將射頻（RF）、中頻（IF）、基帶和比特流部分組裝在一個虛擬機系統中，由軟件來完成各種通信功能，包括信源編碼、信道編碼、信道解碼和信源解碼等。

　　為了加載實現多種通信模式和功能，軟件無線電的天線應跨多個頻段，并且形式要統一。射頻部分完成輸出功率的產生及前置放大，將射頻信號轉換成標準中頻信號，以及將標準中頻信號轉換成射頻信號，該標準中頻信號適合A／D和D／A轉換。中頻部分完成中頻信號與已調基帶信號之間的變換（包括接收和發射），主要功能是頻率變換和濾波?；鶐盘柼幚聿糠质前褦祿髯儞Q成適合信道傳輸的基帶信號和解調基帶信號。比特流部分則主要對多個信道比特流進行復接和分接。

　　軟件無線電系統的硬件采用模塊化結構，建立公共的硬件平臺，支持并行、流水線及異構處理環境。軟件由采用基于OSI參考模型的分層軟件體系，支持開放式的模塊化設計。靈活應用軟件無線電的基本硬軟件模塊，可使軟件無線電設備對傳播條件具有多種自適應能力（包括頻率、功率、速率等）、多種抗干擾能力（包括擴頻及跳頻、自適應天線調零、自適應干擾抵消等）、靈活可變的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA其混合等）、用戶需要的多種業務（包括話音、傳真、數據及圖象等）及多種組網與接口能力等。

　　由此可見，軟件無線電是無線通信系統從模擬到數字再向前發展的新階段技術。要真正實現模塊化以及前面提出的總體設計目標，必須采用軟件無線電技術。美軍的JTRS（聯合戰術無線電系統）計劃就是采用了軟件無線電的設計思想，定義了軟件通信體系結構規范。

2軟件通信體系結構的內容

　　由于軍事需求的牽引，近年來美國國防部采取了十分果斷和重大的措施，其發展動態很值得我們關注和思考。最重要的動態就是美國軍方正在實施的新一代無線通信系統計劃（即JTRS），其主要思路是使美軍的無線通信裝備用模塊化體系結構設計的方法進行全面的更新換代，其目標是提供一種適用于所有軍兵種要求的電臺系列，頻段覆蓋范圍為2 MHz～2 GHz，不但要兼容傳統系統，而且將提供多種新的寬帶波形，支持話音、數據和多媒體等多種業務的傳輸，將極大地增強部隊之間的互通能力。JTRS將成為數字化戰場環境中作戰人員通信的主要手段，代表了目前世界范圍內最為先進的無線通信發展方向，是未來軍事通信的基本組成部分。

　　美國國防部組織了2個小組分別由Raytheon和Motorola兩個大公司牽頭來定義JTRS的硬件和軟件體系結構，最后以Raytheon公司為首提出的“軟件通信體系結構規范（SCA）”獲得國防部批準通過。SCA規范描述了模塊化軟件可編程電臺的軟件體系結構、硬件體系結構和安全體系結構，以及應用程序接口（API）規范，同時引入了嵌入式微處理系統、總線、操作系統、CORBA（公共對象請求代理體系）、面向對象的軟件和硬件設計等一系列計算機技術，采用了“波形應用”和“資源”可裁剪、可擴充的設計思想，其目的是實現電臺硬件模塊化，軟件具有可移植性、可重用性和可互操作性。目前發布的SCA最新版本為2.2。

　　（1）軟件體系結構的內容

　　軟件體系結構的核心內容是定義了一個通用軟件平臺，軟件平臺由帶有硬件驅動軟件的POSIX操作系統、CORBA中間件和核心框架3部分組成。軟件平臺對于波形設計和開發人員來說提出了很多新的要求和限制，其目的是為了實現波形能夠從一個無線電系統移植到另一個系統。核心框架包括一組關鍵的“核心”接口和配置文件，是實現通信系統中軟件組件的部署、管理、連接和通信的主要功能部件。核心框架的一部分接口由軟件平臺開發人員實現，一部分接口由波形應用軟件開發人員實現，其余部分由硬件設備開發人員實現。

　?。?）硬件體系結構的內容

　　硬件體系結構采用了面向對象的概念來定義系統內部的典型模塊劃分，要求一旦實現了一個實際的系統，就必須公開完整和詳細的接口。通過這些公開的接口，第三方就可以提供系統內部模塊，軟件開發人員就可以確定硬件的性能和容量以加載特定的波形。隨著未來可編程元素的增加，硬件模塊的合理劃分為新技術的插入提供了方便。

　　（3）安全體系結構的內容

　　安全體系結構是軍事通信的特殊要求，也是很重要的要求。SCA給出了一個紅邊黑邊相互隔離的安全架構，以滿足軍事通信不同層次的安全要求。如果安全要求很高，紅邊和黑邊可以采用不同的總線進行物理隔離；如果安全要求相對較低，則可以其行軟件隔離。

四、模塊化通信裝備的研究

1設計思想

　　（1）標準先行

　　標準先行指的是開展模塊化通信裝備的頂層設計，建立模塊化無線通信裝備的體系結構，在實際驗證的基礎上，完成模塊化無線通信裝備的各種標準規范系列的制訂工作。與構造建筑物一樣，僅有可供選擇的、統一標準的結構框架還不夠，還要有可供選擇的、統一標準的各種基本模塊，才能組合構建出能滿足各種需求的建筑物來。對于無線通信裝備，基本模塊就是可即插即用的硬件模塊和可加載卸載的軟件模塊，稱為模塊資源庫，它們構成了無線通信裝備的模塊體系。這種可裁剪或擴充的模塊資源庫與模塊化的體系結構框架一起，構成了模塊化通信裝備的主要特色。

　?。?）模型驗證

　　由于模塊化通信裝備的設計思想是集當代計算機、通信、數字信號處理、微電子等各種高新技術于一體的全新設計理念，在國外也只是在起步階段，因此，論證和制定標準還缺乏實際的、具體的經驗，必須在提出初步的方案后，在實際的模型上深入進行模塊化新技術的具體驗證。

2技術方案

　　（1）標準體系的研究

　　結合無線通信裝備的具體情況，可以把模塊化通信裝備標準體系分為四大類標準，分別為：總則標準、體系結構標準、接口標準和波形組件標準，分類如圖1所示。

　　1)總則標準的討論

　　總則標準是對標準體系所涉及的所有標準進行概述?？倓t標準的主要作用是確定標準體系中各項標準的制訂方法，定義標準體系中的各項標準的名稱、目的以及要求，描述各項標準之間的相互關系，明確各項標準應該涉及的內容?？倓t標準是對模塊化通信裝備標準體系的描述，具體描述了體系結構標準、接口標準和波形組件標準之間的關系。

　　2)體系結構標準的討論

　　體系結構是指根據系統的物理特性和邏輯特性，對組成系統的模塊集合進行描述，同時對這些模塊所完成的功能以及這些模塊之間的相互關系進行定義。體系結構是一個基本框架，在這種框架中，指定的一組功能可以按照指定的設計規則，通過指定的幾類組件來實現。體系結構應該包括硬件體系結構、軟件體系結構和安全體系結構。通過對體系結構的研究，可以形成模塊化通信裝備的總體框架，這個總體框架即由體系結構標準來描述。根據體系結構的組成，可以相應地形成硬件體系結構規范、軟件體系結構規范和安全體系結構規范。

　　3)接口標準的討論

　　體系結構只是完成了對模塊化通信裝備總體框架的設計，對硬件體系結構規范、軟件體系結構規范和安全體系結構規范所涉及到的各種接口還需要進行深入的研究。這些接口包括硬件體系結構規范中的硬件模塊接口、軟件體系結構規范中的軟件平臺接口和應用程序接口、安全體系結構規范中的通信保密模塊接口等等。接口標準的作用是描述這些接口的協議及規范。根據接口的有關協議及規范，可以相應地形成硬件模塊接口規范、軟件平臺接口規范、應用程序接口規范和通信保密模塊接口規范。

　　4)波形組件標準的討論

　　模塊化通信裝備主要是實現話音和數據的安全通信。系統具體實現的波形類型均按照信號的傳輸業務、通信方式與安全方式等特性而設計的，因此，信號的傳輸業務（指話音、數據等）、通信方式（指模擬方式、數字方式等）與安全方式（指未加密、加密、抗干擾技術等）等特性均是屬于通信共性基礎標準。波形組件標準正是按照這些共性要求對波形組件進行定義及描述。根據信道中具體波形的情況，應該對相應的波形組件進行具體的定義，因此，可以形成與具體實現的波形類型密切相關的有關的波形組件標準。

　　(2)驗證模型的研制

　　1)硬件總體設計

　　硬件總體設計對所有無線通信裝備來說都是統一的，它強調了硬件模塊的屬性及其實現的繼承性，而不是功能的配置。這樣做的好處是使硬件模塊的設計和實現更加具有通用性和開放性，降低了系統成本。

　　硬件模塊分為兩大類：一類主要是以軟件可編程為主來完成其功能，如調制解調模塊和處理器模塊；另一類主要以不可編程的方式完成其功能，如RF模塊中的部分部件。隨著可編程能力和可編程的硬件技術的發展，功能實現從完全依靠硬件逐漸過渡到以軟件為主。圖2是模塊化通信裝備硬件總體結構。

　　對于無線通信裝備而言，其功能的實現是由硬件和軟件相互配合完成，因此，為滿足將來發展的需要，硬件模塊應具有可擴展性，這可以在原有硬件模塊基礎上，通過增加新的硬件模塊或在已有的硬件模塊中增加新的屬性來實現。這樣，硬件模塊既有統一的結構，又具有內在的靈活性，可以滿足軟硬件性能發展的需要。

　　2)軟件總體設計

　　根據軟件與硬件的相關程度以及軟件所承擔的功能，可以把模塊化通信裝備的軟件自底向上分為4層：嵌入式實時操作系統、CORBA中間件、核心框架和應用程序，如圖3所示。在軟件總體結構中，嵌入式實時操作系統、CORBA中間件和核心框架共同構成一個通用的軟件平臺。軟件平臺接口包括：嵌入式實時操作系統的服務接口；CORBA中間件的規范接口；核心框架提供的各種基本接口、控制接口和服務接口。

　　3)安全總體設計

　　為了保證用戶信息在發送、處理、存儲過程中的機密性和完整性，能夠對不同安全要求等級的信息進行傳輸和接收，確保不同的無線通信裝備能夠互連、互通和互操作，這就必須形成安全總體結構。模塊化通信裝備安全總體結構如圖4所示。在安全總體結構中，整個系統的安全功能不只是由一個邊界分明的安全模塊來單獨完成，而應由通信保密模塊、黑邊處理器和紅邊處理器共同來完成。無線通信系統模塊化設計的紅邊和黑邊必須相互隔離，不能直接進行信息交換，紅邊和黑邊所有的信息交換必須通過通信保密模塊進行控制和管理。通信保密模塊包括一組在啟動和運行時都不能分離的軟件和硬件。

五、結束語

　　本文對無線通信裝備工廠級、設備級、系統級模塊化設計進行了分析，根據軟件通信體系結構，提出了模塊化通信裝備的設計思想，對其相應的標準體系和驗證模型進行了重點研究。本文的研究工作對推動和加快我國無線通信裝備模塊化進程具有重要的現實意義和指導價值。

參考文獻

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摘自　電訊技術

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